TWI663611B

TWI663611B - 磁性電路元件

Info

Publication number: TWI663611B
Application number: TW107116936A
Authority: TW
Inventors: 日塔魯約內爾
Original assignee: 美商羅姆鮑爾能源系統公司
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2019-06-21
Also published as: EP3120360A1; US10937590B2; TW201830421A; TWI632569B; US20160307695A1; WO2015142961A1; US20190221362A1; TW201543511A

Abstract

本發明涉及一種低漏電感和非常高效的磁性結構。一種磁性配置，其使用多個柱並且將在每個柱上的初級繞組分開並且將次級繞組與整流器裝置一起放置在每個柱周圍以最小化雜散電感和漏電感。在該磁性配置中，通過銅的更好的利用，存在磁芯材料的極大降低和封裝尺寸的降低。磁場從通過一個柱迂回至另一個，最小化垂直分量並且迫使磁場與繞組平行，降低ac銅損耗。這些特性允許該磁性結構適於非常高頻的應用以及甚至帶有空心磁芯的應用。這些磁性結構可以用於變壓器實現並且也用於電感應用。

Description

磁性電路元件

本發明係有關一種用於在功率轉換、資料轉換和通信方面應用的變壓器和電感裝置的機械結構及其機械結果。

存在對於更小尺寸和更低外形的功率轉換器，諸如變壓器和電感器的工業需求，其要求的更小和更低外形的磁性元件。為了磁性元件的生產中的更好的一致性，繞組被嵌入多層PCB結構。在這種應用中，銅厚度被限制。為了能使用更薄的銅和有限數目的層用於更高電流應用，存在數個解決方案。一個解決方案是將電流分流，並且在其被提供到輸出之前處理其每個部分。其中一些功率元件的封裝尺寸變得非常小並且導通電阻非常小的半導體工業的工藝已經將方向轉變為磁性技術。由於導通電阻的極大降低導致半導體元件能夠在小的封裝尺寸中處理非常高的電流。這要求能夠在非常小的封裝尺寸中處理非常高的電流的磁性結構。為了降低銅中的，特別是使用非常薄的銅的多層結構中的功率消耗，磁性繞組的長度必須被減少。

在圖1中呈現兩種將電流分流的方法。一種在美國專利4,665,357中描述，其中存在使用具有串聯的初級繞組的多個獨立的變壓器，也被稱為矩陣變壓器。另一種方法在美國專利7,295,094B2中描述。在美國專利7,295,094B2中呈現的結構具有超過在美國專利4,665,357中呈現的結構的數個優點，諸如因為全部繞組共用相同的磁芯而雖然有限但降低的磁芯體積，以及總磁化電感的增加。

在2013年5月10日提交的專利申請序號61/821,896和6月5日提交的美國專利申請序號61/831,527中呈現軟切換拓撲，其中, 變壓器中的漏電感必須非常小。圖1所示的現有技術的磁性結構能夠提供漏電感的一些減少，但是它們不能供應總封裝尺寸的極大減少以允許雜散電感的減少。雜散電感添加到漏電感，並且在一些應用中可以在總寄生電感中具有極大百分比。最新的GAN mosfet 技術通過將數百KHz 的操作頻率提高到MHz級別而提出對於磁性結構的另一需求。在關於IEEE Transactions on Power Electronics, Vol_28, NO 9, 2013年9月, “A Technology Overview of the Power Chip Development Program”中呈現這種高頻率磁性結構。在這些結構中，沒有使用磁芯。在前述的公開中呈現的結構中，存在大的Rac/Rdc比，其是包括諸如臨近損耗和皮膚效應損耗的高頻損耗的繞組的總電感除以僅DC損耗的比率。在較高頻操作中，該比率起到重要作用。在美國專利5,381,124中呈現利用四腳磁芯的低外形磁性結構並且呈現為蛇紋繞組結構。這種結構的繞組配置的功能可以有益於漏電感，但是沒有解決由從變壓器到功率半導體元件的互連引起的寄生電感。在美國專利7,187,263 B2中描述了另一低外形磁實現。其是矩陣變壓器的優化實現。在該實現中，目標主要不是最小化漏電感，其是在諧振拓撲中功率處理中的關鍵要素。該實現減少銅中的ac損耗和雜散電感。其不減少磁芯總體積。

有鑑於此，在本發明中描述的磁性結構提供改進的磁芯配置以及繞組佈置。在本發明中描述的磁性結構提供低得多的漏電感、銅的更好的利用、更小的封裝尺寸，並且在一些實現中非常適於用於非常高的頻率操作的空芯磁裝置。本發明的實施例可以用於變壓器應用或電感元件。

就其中一觀點言，本發明提供了一種磁性電路元件，包括：一電路板; 穿過所述電路板的超過兩個的多個磁通傳導柱; 在兩側上連接所述磁通傳導柱的至少兩個磁通傳導板; 環繞所述磁通傳導柱的至少兩個連接的初級繞組; 以及環繞所述磁通傳導柱的至少兩個連接的次級繞組。

在一種較佳的實施型態中，功率部件與所述繞組串聯或並聯放置並且變成所述初級繞組或所述次級繞組的一部分。另外，整個磁性結構由適當形狀的磁通傳導器件環繞並且互連接腳被放置在環繞的所述適當形狀的磁通傳導器件的內部和外部，其中所述接腳被連接到主機板。並且，磁通傳導板，或者磁通傳導板和磁通傳導柱可以被去除。

就另一觀點言，本發明提供了一種具有中心抽頭拓撲的磁性電路元件，包括：一電路板; 穿過所述電路板的多個磁通傳導柱; 在兩側上連接所述磁通傳導柱的一磁通傳導板; 環繞所述磁柱的一初級繞組; 以及環繞所述磁柱的一次級繞組; 其中，所述中心抽頭拓撲被配置為允許重複使用所述初級繞組和所述次級繞組二者的至少部分，用於在任一方向上的電流流動。

在圖3A和圖3B中描述的本發明的實施例之一中，存在在中心抽頭拓撲中的更好的銅優化。在中心抽頭拓撲中，次級繞組沒有被適當地利用。在一個極性期間，電流流經次級繞組之一，同時次級繞組的另一部分不進行傳導。在本發明的實施例之一中，在中心抽頭拓撲中的兩個極性中，變壓器的次級繞組中的電流迴圈，導致更好的銅利用和較低的功率消耗。僅次級繞組的一部分用於單向電流流動。在初級繞組上大量的銅將允許電流自由流動以抵消初級繞組的磁場，來減少漏電感。在圖6A、6B、6C、6D中呈現該實現。在這些圖中，銅包圍磁芯的區域穿過。電流流動通過在芯周圍的銅以便抵消由初級繞組產生的磁場。使用如圖所示的銅結構並使用U形芯的這種磁配置具有非常低的漏電感。

在圖5A、圖5B和圖5C中示出一個關鍵實施例。該磁性結構具有四個柱，其穿過其中嵌入繞組的多層結構。該結構是合併四個E型磁芯的結果，在工藝中，磁芯材料的一大部分被消除。這減少磁性結構的總封裝尺寸並且減少總芯損耗，其與芯材料的體積成比例。在該工藝中次級繞組如圖5B所示合併。在圖5C中呈現每個等效的E形芯。雖然在其它現有技術中示出具有四個腿的磁芯，但是銅結構和整流器裝置的放置改變了操作的模式和性能。

在圖9A和9B所示的另一個實施例中呈現相同的四腳磁性結構，其中輸出電流流出四個開口部並且在磁性矩形板之下，表示輸出電感器的磁性矩形板在中間具有切口以容納四腳變壓器。通過如所示地放置輸出連接器，電流被分流並且輸出扼流圈的磁芯不必穿過多層結構。這樣，我們增加了銅的利用並且減少變壓器和輸出扼流圈的總封裝尺寸。該實施例對於高輸出電流應用是非常適當的。

使用中心柱的磁性配置可以以不同的配置實現，如圖12、圖13和圖14所示。

圖10示出使用雙磁芯結構和多層PCB的四腳磁性結構的更詳細的視圖。在圖11中，為了技術原因消除板111和113中的中心切口，雖然不存在流動通過該部分的磁通。

在圖14中呈現使用大量中心柱的低外形磁性結構。該磁性結構可以是變壓器結構或電感結構。使用該配置作為記憶元件的一個優點是間隙將分佈在全部中心柱之間。

在該情況下磁性板可以被去除，我們可以僅僅具有圖15所示的中心柱或圖16所示的空芯。可能僅具有在其一端或兩端處具有小板的中心柱，在板之間留有間隙。在圖17中的ac與dc比，這對於空芯非常低，並且該磁性結構非常適於非常高頻的應用。

在圖3A中呈現具有初級繞組38和兩個相同的次級繞組34和36的中心抽頭變壓器結構。在次級側，存在兩個整流器裝置30和32。次級整流器裝置可以是蕭特基二極體、使用矽功率mosfet、GAN或其它技術的同步整流器。存在正輸出46，和負輸出44。通常地，負輸出可以被連接到輸出接地。在初級繞組中，AC信號在40和42之間被施加至初級繞組，其可以通過全橋配置、半橋或其它拓撲生成。在由施加到初級繞組38的信號生成的極性之一中，整流器裝置之一傳導，並且當極性改變時，另一整流器裝置將傳導。因為僅次級繞組之一傳導電流，所以在每個極性期間次級中的銅沒有被完全利用。這是中心抽頭拓撲的主要缺點之一。除此之外，在中心抽頭拓撲中，在兩個次級繞組之間存在漏電感，其將延遲從一個繞組到另一個的電流流動。在圖3B所述的本實施例中，最小化與中心抽頭相關聯的兩個缺點。在圖3B中呈現從50a至50d的四層的多層結構，其中次級繞組被實現。U芯形磁芯通過切口54A和54B穿過多層PCB。在磁芯的腳之間存在導電材料，通常是連接到整流器裝置的陰極的銅，一個在50A上連接到30的陰極，另一個放置在層50b上連接到整流器裝置32。在層50c和50d上，切口54A和54B被連接到46的導電材料包圍。在層50a和50b上存在被連接到整流器裝置44的陽極的導電材料環。

在極性之一期間，當整流器裝置30傳導電流從連接到44的陽極並通過整流器裝置30，並且進一步通過通孔401和402在層50c上到達46流過U芯腳之間的導電材料。用於電流流動的另一路徑是通過整流器裝置30和通孔403並且進一步朝著46。在其中整流器裝置32傳導的極性期間，電流將從44通過32，並進一步在層50b上通過放置在切口54A和54B之間的導電材料36，並進一步通過通孔404和405朝向46流動到達層50d。用於電流流過32的另一路徑是通過通孔406到達層50d並朝向46通過在切口54A和54B之間的導電材料。雖然該磁性結構的一匝次級將環繞54A和54B，但是次級的其中電流僅在一個方向上流動的部分被減少到切口54A和54B之間的導電材料，諸如34和36。對於包圍切口54A和54B的剩餘一匝次級，諸如44和46的部分，電流在兩個方向中流動。這意味著與其中僅在一個極性期間傳導整個次級繞組的更傳統的繞組技術相比改進了銅的利用。圖3B中呈現的繞組結構的另一優點是銅放置在初級繞組的整個部分上，允許電流流動以便抵消由初級繞組產生的磁場。除此之外，整流器裝置32和30被放置作為次級繞組的一部分，消除了端部效應損耗並減少雜散電感。

在圖4A中呈現使用全橋整流的變壓器結構。其由初級繞組138、次級繞組137、四個整流器裝置133、135、134和135構成。整流電壓被連接到141和142。初級繞組端子139和140被連接到AC源，其可以由全橋、半橋或任何其它的拓撲產生。在圖4B中呈現一匝次級繞組的次級繞組佈置。對於極性之一，電流通過136、放置在切口54A和54B之間的銅部分137A和137B，並進一步通過133，通過通孔407朝向141流動到達層410B。在另一電極期間，電流將從142通過135並進一步通過放置在切口54A和54B之間的銅部分137A和137B，並且進一步通過整流器裝置134並通過通孔408朝向141流動到達層410B。在次級銅利用的該拓撲中，這本質上是非常好的，因為次級繞組137在兩個電極期間極性傳導。然而，圖4B呈現的繞組結構結合整流器裝置133、136、134和135作為次級繞組的一部分，這消除末端效應並減少雜散電感。

在圖5A中呈現本發明的一個實施例的等效電路，其中使用四腳磁芯結構。存在被互相串聯耦合的四個變壓器T1、T2、T3和T4。T1與T2耦合，T2與T3耦合並且T3與T4耦合並且進一步地T4與T1耦合。在圖5C中呈現從T1至T4的每個變壓器的定義。每個變壓器被表示為E芯變壓器，其具有作為中心柱的整個圓柱形腿和兩個外柱，兩個外柱是在其直接附近的圓柱形腳的一半。然而四個腳的形狀可以是矩形或任何其它的形狀。因為變壓器T1、T2、T3和T4共用圓柱形柱的相同部分，所以它們之間存在耦合。

在圖5A中呈現圖5B中實現的磁性結構的等效圖。在360和362之間施加AC信號，其可以由全橋、半橋結構或任何其它的雙端拓撲生成。當施加在360對362具有正極性的信號時，整流器376和374被啟動，並且電流從在許多應用中被連接到接地的負電壓V- 384，進一步通過位於層70a上的成形為十字366A的銅部分，朝向通孔連接411、412和409、410流動。通過通孔411、412和409、410，電流在層70C上進一步朝向382流動。在該極性期間的電流的平行路徑通過整流器裝置376和374，在層70C上進一步朝向382通過366B。在另一極性期間，另一整流器裝置380和378被啟動，並且電流在層70b上進一步朝著通孔413、414和415、416流動通過成形為十字368A的銅部分，並進一步朝向382到達層70d。電流流經378和380的另一個路徑是在層70d上朝向382通過368B。

流過包圍四腿磁性結構的384、382並通過366A、368B、366B和368B的電流用於抵消由初級繞組產生的磁場。初級繞組被分成包圍來自圖10的四腳磁芯腳115A、115B、115C和115D的四個部分，並且在每個腳上我們具有流進次級以抑制由初級繞組生成的磁場的電流，在本申請中呈現的磁性結構中的漏電感非常低。圖5B中示出的銅佈置允許非常低的阻抗電流，並且除此之外，整流器裝置376、380、374和378是次級繞組的消除末端效應和雜散電感的部分。末端效應的特徵在於在次級繞組離開變壓器使得連接到次級裝置之後銅中的ac損耗。在該實施例中，因為次級繞組沒離開磁性結構，每個整流器裝置是次級繞組的一部分，所以不存在末端效應。

圖5B中示出的磁性結構具有超過使用E芯和甚至U形芯的傳統磁性結構的優點。首先漏電感被顯著地減少。除此之外，因為在初級繞組和次級繞組之間的磁場強度與一個磁芯結構相比減少到四分之一，所以繞組中的ac損耗進一步減少。除此之外，該配置的芯體積小於一個芯配置。將整流器裝置放置為次級端部的一部分消除了端部效應和在次級繞組和整流器裝置之間的雜散電感。如圖5A所示的在四個等效變壓器之間的耦合，減少了鐵氧體板112和113的厚度，其放置在四個圓柱形腿115A、115B、115C和115D的頂部，如圖10所示。

在圖6A至6D中呈現金屬蝕刻層，其包括用於圖3A中呈現的變壓器結構的繞組。關於用於產業化目的的層利用而優化圖6A至6D的繞組實現。在圖3B中我們使用四層而在圖6A中我們僅僅使用兩層。在圖6A中呈現頂層和層2。在頂層上用於磁芯54A和54B的切口由連接到在圖3A中被標記為44的接地的銅包圍。在層2上用於磁芯54A和54B的切口由連接到在圖3A中被標記為46的銅包圍。通過使用並聯的兩個同步整流器實現圖3A的整流器裝置30和32。放置在切口54A和54B之間的銅部分34被連接到一組通孔462。整流器裝置30的漏極放置在連接到一組通孔460和461的兩個焊板上。在其中整流器裝置32進行感應的極性期間，電流從44通過整流器裝置32，進一步通過34並通過通孔462流動到層2，其中電流流到46。在其中整流器裝置30進行感應的極性期間，電流從44通過整流器裝置30，進一步通過460和461到層2，並進一步朝向46通過放置在切口54A和54B之間的銅流動。在圖6B、6C上呈現初級繞組，其被結合在層3、4、5和6中。在圖6D中呈現次級繞組以及整流器裝置。這些層與層1、頂部和層2相同。然而，在這些層上，繞組配置被放置成鏡像佈置。磁芯腿周圍的大量銅佈置允許電流最優地流動和選擇其自己的路徑以便抵消由初級繞組產生的磁場。這進一步説明減少變壓器結構中的漏電感。

在圖7中呈現圖5B的磁性結構的優化實現。在圖7A中四腳磁性結構使用僅兩層用於次級繞組，不同於圖5B中圖示的四層。該實現用於產業化，其中成本效率是非常重要的。

對於被施加至圖5A的360和362之間的初級繞組變壓器的電壓的極性之一，整流器裝置376和374傳導，並且電流將從384通過376、374，通過通孔482和485流動至第二層。在第二層上，電流將繼續在兩個方向中流動，一個在切口386A和386D之間和在切口386B和386C之間朝著V+ 382。在相反極性期間，電流將從384通過整流器裝置380和378朝著通孔480、481或483和484流動到達層2，並進一步到達V+ 382。

圖7A所示的次級繞組的實現具有使用僅兩個層的優點。在圖7B呈現所有層，開始為結合次級繞組的頂部兩個層和其中也實現次級繞組的層9和層10的底部兩個層。層1和層2以及層9和10是相互的鏡像。在層3、4、5、6、7和8上實現初級繞組。

在圖8A中呈現四腳磁性結構的實施例之一，其中我們在次級繞組中具有兩匝。在360和362之間注入的電壓極性之一期間，整流器裝置376和374傳導，並且電流將從384通過376、374，並進一步在磁芯切口386A、386B或386C和386D周圍朝向通孔501、502或503、504流動，進一步在層3上朝向V+ 382流動。

在360和362之間施加的電壓極性期間，當整流器裝置380和378傳導時，電流將從384通過380和378，並進一步在層2上通過通孔506和507，並進一步通過通孔508在層3上朝向382流動。

在圖8B中呈現12層繞組結構，其中初級繞組被實現成六個內層並且次級繞組被實現成頂部和底部三層。

在圖9A和圖9B中呈現本發明的另一個實施例，其中存在輸出電感器的唯一實現。整個四腳磁性結構520可以被實現成圖5B、7A、7B或8A、8B或任何其它結構中描述的配置之一。整流器裝置76、74、80和78整流初級繞組中注入的AC電壓。存在四個接腳202A、202B、202C和202D，其被連接到V- 84。同樣存在四個接腳201A、201B、201C和201D，其被連接到V+ 82，如圖9A所示。存在由連接在一起的四個部分203A、203B、203C和203D構成的磁芯。整個結構可以由一個磁芯或放置在一起的四個獨立的部分形成。朝向201A、201B、201C和201D流動的電流將在磁芯下麵流動。接腳201A、201B、201C和201D被進一步連接到主機板，其中它們將形成Vo+ 521。連接到V- 84的接腳202A、202B、202C和202D也被連接到主機板。使用鐵氧體材料的連續板的輸出扼流圈的實現是唯一的，其不優選是多層PCB 82。在本實施例中，我們將輸出電流分流並且通過將V- 84接腳、202A、202B、202C和202C以及V+、201A、201B、201C和201C接腳連接到主機板，我們創建在由203A、203B、203C和203D形成的磁芯周圍的匝。該實施例非常適於非常高的電流應用，其中在該特定實現中，我們將施加到每個接腳的電流減少到四分之一。在該情況下，如果我們使用多於四個腳的變壓器，例如N個腳的變壓器，則我們可以將電流分成N個部分，並且使用N個接腳，以將V+連接到主機板並且將N個接腳連接到V-。在圖9B中放置在整流器裝置76、80、74和78的陰極中的箭頭表現到如圖5B、7A和7B和8A和8B中所示的四腳變壓器的繞組結構的連接。

在圖10中呈現四腳磁配置。變壓器的初級繞組和次級繞組被實現在多層PCB 111上。存在由磁性板113和四個圓柱形柱115A、115B、115C和115D形成的四腳磁芯。在板113中存在切口114B。四個圓柱形柱穿過孔386A、386B、386C和386D。具有切口114A的板112被放置在頂部，直接或者使用介面空隙與圓柱形柱接觸。在圖11中呈現相同的結構，不同在於切口114A和114B被去除。不存在通過切口的磁通，但是為了在產業化的情況下的簡化實現，切口可以被去除。

在圖12中呈現在具有許多腳的矩形形狀中的多個腿的磁性結構的另一佈置。可以存在我們能夠實現該結構的許多形狀，它們之一在圖13中呈現。以兩腳壓器、四腳變壓器以及通常N腳變壓器開始的每個磁性結構可以被倍增，並且每個部分可以共用相同的初級繞組。它們將形成功率處理單元，並且如果它們共用相同的初級繞組，則在初級繞組和次級繞組之間的漏電感可以被進一步減少。多個腳的磁性結構可以用作變壓器或可以用作電感器。在電感器實現中，空隙可以被放置在每個圓柱形腳的頂部並且創建非常有效的分散式空隙，其以此方式最小化空隙效應。

在圖14中呈現一般的多個腳的磁性結構。繞組被實現成多層結構，其也被嵌入多層PCB中，並且存在圓柱形磁柱以及一個在頂部和一個在底部的兩個磁性板，如以550和551所示。

在圖15中呈現其中繞組被放置在多層結構中的實現，其可以是多層PCB和圓柱形柱而沒有在頂部和底部的鐵板，如以552和553所示。

在圖16中呈現空芯結構，其中磁芯材料被完全去除，並且繞組被實現成多層結構，其可以是多層PCB。該空芯結構具有很多優點，它們之一是在高頻率下在繞組中的低得多的AC損耗。

在圖17呈現使用磁性材料的柱和板、僅磁性材料的磁柱和沒有任何磁性材料，在1Mhz和10Mhz下在該結構中的類比損耗。

這些磁性結構的主要優點，特別是空芯實現是磁通從回路迂回到另一個，極大地減少了輻射。以554所述的空芯的該磁性結構包含磁場，並且迫使其與繞組並聯，並且其非常適於沒有磁芯的磁配置。除此之外對於其中可以使用該結構的非常高的頻率應用具有低ac損耗。該磁性結構將允許以高效率在數十MHz的範圍內以非常高的頻率進行功率轉換。

111‧‧‧多層PCB

112‧‧‧板

113‧‧‧磁性板

114A~114B‧‧‧切口

115A~115D‧‧‧磁芯腳

133~136‧‧‧整流器裝置

137‧‧‧次級繞組

137A、137B‧‧‧銅部分

138‧‧‧初級繞組

139、140‧‧‧端子

201A~201D‧‧‧接腳

202A~202D‧‧‧接腳

30‧‧‧整流器裝置

32‧‧‧整流器裝置

34‧‧‧次級繞組

36‧‧‧次級繞組

360‧‧‧節點

362‧‧‧節點

366A‧‧‧銅部分

374‧‧‧整流器裝置

376‧‧‧整流器裝置

378‧‧‧整流器裝置

380‧‧‧整流器裝置

386A~386D‧‧‧切口

38‧‧‧初級繞組

40、42‧‧‧節點

401~412‧‧‧通孔

410B‧‧‧層

44‧‧‧正輸出

46‧‧‧負輸出

460~462‧‧‧通孔

480~484‧‧‧通孔

485‧‧‧通孔

50a~50d‧‧‧層

501~504‧‧‧通孔

506~508‧‧‧通孔

520‧‧‧磁性結構

54A‧‧‧切口

54B‧‧‧切口

550、551‧‧‧磁性板

552、553‧‧‧鐵板

554‧‧‧空芯的該磁性結構

70a~70d‧‧‧層

74、76‧‧‧整流器裝置

78、80‧‧‧整流器裝置

82‧‧‧多層PCB

T1~T4‧‧‧變壓器

圖1：示出了使用大量磁性元件的先前技術的分散式磁性結構，其中初級繞組串聯放置。圖2：示出了我們的較佳實施例的等效示意圖，其中磁性元件被耦合。圖3A：圖示了使用包括整流器的中心抽頭的變壓器。圖3B：示出了圖3A中呈現的變壓器的次級繞組實現。以使用U芯的變壓器結構的次級繞組實現是本發明的實施例之一，其中次級繞組的銅利用與傳統的中心抽頭實現相比是極大的改進。圖4A：示出了使用全橋整流而沒有中心抽頭的變壓器結構。圖4B：示出了圖4A中呈現的變壓器的次級繞組實現。圖5A：示出了具有中心抽頭的四腳磁性結構的等效示意圖。圖5B：示出了圖5A中呈現的四腳變壓器的次級繞組實現。圖5C：示出了是四腳變壓器的一部分的四個等效變壓器。圖6A至6D示出了金屬蝕刻層，其包括使用在圖3A和3B所示的使用U芯實現的變壓器中的繞組。圖7A和7B：示出了金屬蝕刻，其包括用於圖5A和5B中描述的四腳磁性結構的繞組。圖8A和8B：示出了金屬蝕刻，其包括用於具有兩匝次級繞組的四腳磁性結構的繞組。圖9A：示出了我們的實施例的等效示意圖，其中我們引入輸出電感器的新實現。圖9B：示出了來自圖9A四腳磁性結構以及新輸出電感器的實現。圖10：示出了四腳磁性結構的三維圖。圖11：示出了四腳磁性結構的三維圖，其中在上部板和下部板中的切口被去除。圖12：示出了多腳磁性結構的潛在實現。圖13：示出了多腳磁性結構的另一個潛在實現。圖14：示出了使用鐵氧體材料用於柱和水平板的多腳磁性結構的實現。圖15：示出了使用鐵氧體材料用於柱並且沒有水平板的多腳磁性結構的實現。圖16：示出了沒有任何磁性材料的多腳磁性結構的實現。圖17：示出了在圖14、圖15和圖16中呈現的磁性結構的次級繞組中的AC/DC比率。

Claims

一種磁性電路元件，包括：電路板；多於兩個的多個磁通傳導柱，其穿過所述電路板，並且形成所述磁通傳導柱的2D陣列，所述2D陣列具有每個包含多個磁通傳導柱的行和列；導電的初級繞組，其設置在所述電路板上以形成多層繞組結構，其中，所述初級繞組被配置為環繞垂直於所述電路板繪製的多於兩個的多個軸的回路的2D序列，以在電流通過所述初級繞組時產生沿著所述多於兩個軸中的每一個軸穿過所述回路的2D序列的磁場，其中，所述多於兩個軸形成所述軸的2D陣列，所述軸的所述2D陣列具有每個包含多個軸的行和列；其中，所述磁場的特徵在於具有第一方向的第一磁通、具有第二方向的第二磁通和具有第三方向的第三磁通，其中，所述第一磁通通過第一回路從軸的所述2D陣列沿著第一軸在第一方向上通過，其中，所述第二磁通通過第二回路從軸的所述2D陣列沿著第二軸在第二方向上通過，和其中，所述第三磁通通過第三回路從軸的所述2D陣列沿著第三軸在第三方向上通過，其中，所述第二軸在軸的所述2D陣列的包含所述第一軸和第二軸兩者的行中與所述第一軸直接相鄰，其中，所述第三軸在軸的所述2D陣列的包含所述第一軸和第三軸兩者的列中與所述第一軸直接相鄰，以及其中，所述第一和第二方向彼此相反，並且其中，所述第一和第三方向彼此相反。
根據申請專利範圍第1項所述的磁性電路元件，其中，所述磁通傳導柱被設置成從軸的所述2D陣列沿著所述軸穿過所述電路板和所述回路，使得所述磁場磁性耦合磁通傳導柱的所述2D陣列中的所有磁通傳導柱。
根據申請專利範圍第1項所述的磁性電路元件，還包括第一和第二磁通傳導板，其中，所述第一磁通傳導板設置在所述電路板的一側上，並且所述第二磁通傳導板設置在所述電路板的另一側上以通過所述電路板與所述第一磁通傳導板分離。
根據申請專利範圍第2項所述的磁性電路元件，還包括第一和第二磁通傳導板，其中，所述第一磁通傳導板設置在所述電路板的一側上以磁性連接來自所述磁通傳導柱的所述2D陣列的所有柱的第一端，並且所述第二磁通傳導板設置在所述電路板的另一側上以磁性連接來自所述磁通傳導柱的所述2D陣列的所有磁通傳導柱的第二端。
根據申請專利範圍第4項所述的磁性電路元件，還包括在以下各項中的至少一個之間的間隙：i)所述第一磁通傳導板和所述所有磁通傳導柱的所述第一端，和ii)所述第二磁通傳導板和所述所有磁通傳導柱的所述第二端。
根據申請專利範圍第2和4項中任一項所述的磁性電路元件，其中，滿足以下條件中的至少一個：a)所述磁性電路元件還包括導電的次級繞組，所述導電的次級繞組設置在所述多層繞組結構的至少一層中的每兩個直接相鄰的磁通傳導柱之間，以及b)所述磁性電路元件被配置為經由所述磁場彼此相互耦合的多個變壓器。
根據申請專利範圍第6項所述的磁性電路元件，被配置為根據全橋拓撲、半橋拓撲和雙端拓撲中的任何一種的變壓器裝置。
根據申請專利範圍第2和4項中任一項所述的磁性電路元件，其中，所述磁通傳導柱的所述2D陣列在所述多層繞組結構的所述至少一層中由至少一個導電材料環包圍。
根據申請專利範圍第8項所述的磁性電路元件，其中，滿足以下條件中的至少一個：a)所述磁性電路元件還包括導電的次級繞組，所述導電的次級繞組設置在所述多層繞組結構的至少一層中的每兩個直接相鄰的磁通傳導柱之間，以及b)所述磁性電路元件被配置為經由所述磁場彼此相互耦合的多個變壓器。
根據申請專利範圍第6項所述的磁性電路元件，還包括功率部件，所述功率部件連接到所述次級繞組並且連接到在所述多層繞組結構的所述至少一層中的所述至少一個導電材料環。
根據申請專利範圍第8項所述的磁性電路元件，還包括功率部件，所述功率部件連接到所述次級繞組並且連接到在所述多層繞組結構的所述至少一層中的所述至少一個導電材料環。
根據申請專利範圍第10項所述的磁性電路元件，還包括：主機板；和位於所述至少一個環內部和外部的互連針腳，其中，所述針腳連接至所述主機板。
根據申請專利範圍第10項所述的磁性電路元件，還包括功率部件，所述功率部件連接到所述初級繞組並且連接到在所述多層繞組結構的所述至少一層中的所述至少一個導電材料環。
根據申請專利範圍第12項所述的磁性電路元件，其中，所述磁性電路元件被配置為在所述多個互相耦合的變壓器的操作中在所述環和所述初級繞組和所述次級繞組二者的至少部分中提供雙向電流流動。